郭佳瑩,尉振剛,王 立,牛海軍
北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,北京市,100191
帶有表面肌電反饋功能的電刺激系統(tǒng)
【作者】郭佳瑩,尉振剛,王 立,牛海軍
北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,北京市,100191
目前,多種電刺激治療儀器應(yīng)用于偏癱患者肌肉功能恢復(fù),但這些設(shè)計(jì)普遍存在反饋參數(shù)單一、信息變化不同步和顯示不直觀等缺陷。因此,該文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的帶有反饋功能的電刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了多通道肌電信號(hào)實(shí)時(shí)采集和電刺激器等硬件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了較廣的電刺激頻率、脈寬和電流強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍,全程采集肌電信號(hào),同時(shí)提供iEMG、CCR、RMS和MPF等多種表面肌電特征參數(shù)。初步實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。該系統(tǒng)可以幫助醫(yī)師客觀了解不同患者的不同肌肉狀況,探索合適的電刺激參數(shù),制定個(gè)性化的治療方案。
電刺激;LabVIEW;表面肌電反饋
中國人口基數(shù)龐大,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示每年因腦卒中、中風(fēng)等疾病引起的不同程度的癱瘓患者達(dá)數(shù)百萬人[1],其中70%~80%的患者會(huì)喪失勞動(dòng)能力和生活自理能力,給家庭和社會(huì)帶來巨大負(fù)擔(dān)[2-3]。國內(nèi)外研究已經(jīng)表明,康復(fù)訓(xùn)練能夠有效地減輕該類患者的神經(jīng)肌肉損傷,有助于恢復(fù)功能,提高日常生活能力[4-6]。
目前針對(duì)偏癱患者肌肉功能恢復(fù)的方法較多,其中電刺激療法已經(jīng)成為重要的治療手段。該方法經(jīng)過多年的發(fā)展,已有多種電刺激治療儀器問世。在國外,日本研制的TENS型神經(jīng)肌電促通儀,采用單通道低頻電流,對(duì)癱瘓患者的肌肉進(jìn)行收縮訓(xùn)練[7];美國的Respond Select電刺激治療儀,實(shí)現(xiàn)了雙通道的低頻電刺激[8];在國內(nèi),一些公司生產(chǎn)的電刺激治療儀,不但有多通道的電刺激輸出,還可實(shí)現(xiàn)刺激頻率和刺激強(qiáng)度等參數(shù)的調(diào)節(jié)[9-11],滿足國內(nèi)大量病患的治療需求,提高治療效率。
眾所周知,由于人體不同部位的神經(jīng)和肌肉對(duì)于電刺激所產(chǎn)生的敏感水平是有差別的,因此治療過程中各種電刺激參數(shù)的調(diào)節(jié)非常重要,不適當(dāng)?shù)拇碳し炊鴷?huì)造成肌肉與神經(jīng)的損害。例如,刺激強(qiáng)度過高可能激活刺激電極附近支配拮抗肌的神經(jīng)纖維,反而降低治療效果,易導(dǎo)致肌肉疲勞[12];長時(shí)間頻率過高的刺激同樣會(huì)導(dǎo)致肌肉疲勞和肌力下降[13];有大約50%的癱瘓患者有不同程度的感覺障礙,對(duì)電刺激造成的肌肉疲勞等情況不敏感,直接影響治療效果,嚴(yán)重時(shí)甚至對(duì)肌肉造成損傷[14]。上述這些情況不但對(duì)電刺激儀的設(shè)計(jì)提出了更高的要求,即為了適應(yīng)不同的患者與不同的肢體部位,電刺激信號(hào)的頻率、脈寬和電流強(qiáng)度均需有較為廣泛的調(diào)節(jié)范圍,而且對(duì)治療過程提出了更高要求,即如何為不同患者的不同肌肉狀況選擇合適的電刺激參數(shù),制定合適的治療方案。為了有效地監(jiān)測(cè)治療水平,一些研究者結(jié)合對(duì)肌電信號(hào)的采集與分析設(shè)計(jì)了反饋型電刺激儀[15-17],監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括將均方根值、方差、肌電幅值等參數(shù)來判定肌肉狀況。但是目前的設(shè)計(jì)普遍存在反饋參數(shù)單一、未實(shí)現(xiàn)電刺激過程中的肌電信號(hào)全程反饋、反饋參數(shù)的變化不同步、信息顯示不直觀等缺陷。
為解決上述問題,為醫(yī)師提供更多與更直觀的反饋信息,本文基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái),與多通道肌電信號(hào)實(shí)時(shí)采集和電刺激器等硬件系統(tǒng)相結(jié)合,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種帶有反饋功能的電刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用開放式設(shè)計(jì),不但可以實(shí)現(xiàn)較廣的電刺激信號(hào)頻率、脈寬和電流強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍,而且可以實(shí)現(xiàn)電刺激治療過程中刺激部位表面肌電信號(hào)(surface Electromyography,sEMG)的采集,并分析計(jì)算了肌電積分值(integrated Electromyography,iEMG)、協(xié)同收縮率(Co-Contraction Ratio,CCR)、均方根值(Root Mean Square,RMS)和平均功率頻率(Mean Power Frequency,MPF)等特征參數(shù),客觀反映治療過程中患者的肌力與肌疲勞程度,為醫(yī)師針對(duì)不同患者制定更客觀與有效的治療方案制定提供參考。
1.1 電刺激參數(shù)
電刺激參數(shù)包含刺激頻率、脈寬和刺激強(qiáng)度。刺激頻率可以調(diào)節(jié)肌漿網(wǎng)內(nèi)Ca2+的釋放和重吸收,從而調(diào)整肌肉的收縮強(qiáng)度。隨著頻率的增高,當(dāng)肌漿網(wǎng)內(nèi)Ca2+的重吸收達(dá)到最大值時(shí),肌力將不會(huì)繼續(xù)增大。而且,過高頻率長時(shí)間的刺激會(huì)使肌肉處于完全強(qiáng)直狀態(tài),患者可感覺明顯不適[18]。針對(duì)癱瘓肢體的電刺激治療中,常采用50 Hz以下的低頻電刺激且有較好的臨床效果。脈寬可以調(diào)節(jié)肌纖維的激活數(shù)量,且必須達(dá)到一定值才能引起肌肉收縮。隨著脈寬的增加,易化作用使肌纖維的激活更為容易,肌力增強(qiáng),但刺激時(shí)間過長會(huì)引起肌疲勞,理想脈寬為200~400 μs[19]。刺激強(qiáng)度受體表毛發(fā)、水合作用等因素的影響,治療時(shí)需根據(jù)患者耐受程度來設(shè)定。過小的電流強(qiáng)度不會(huì)使神經(jīng)肌肉產(chǎn)生興奮,但強(qiáng)度過大的電流容易對(duì)肌肉造成損傷,一般不超過100 mA[20]。
為了適應(yīng)不同的患者與不同的肢體部位,并滿足電刺激過程中肌電信號(hào)的全程反饋,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的電刺激參數(shù)范圍為:刺激頻率0.5~5 Hz,脈寬0~6 ms,刺激強(qiáng)度0~100 mA。
2.2 sEMG反饋參數(shù)
癱瘓患者的神經(jīng)肌肉特點(diǎn)與健康人相比有很大差異。由于內(nèi)分泌系統(tǒng)失調(diào)、維持體內(nèi)電解質(zhì)平衡的能力下降等因素,癱瘓患者常伴有低血鉀和低血鈣等癥狀。然而,鉀離子和鈣離子能調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)釋放和神經(jīng)元的代謝活性,在神經(jīng)元產(chǎn)生動(dòng)作電位機(jī)制中起著重要作用。在電刺激治療時(shí),由于癱瘓患者的血鈣濃度較低,使得神經(jīng)肌肉的興奮性提高,易產(chǎn)生神經(jīng)肌肉放電異常且收縮亢進(jìn)[21]。另外,癱瘓患者由于長期臥床,肢體活動(dòng)減少,患側(cè)肌肉里的慢肌纖維逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭旒±w維[22]??旒±w維對(duì)動(dòng)作電位的響應(yīng)速度快,但容易疲勞。因此,癱瘓患者患側(cè)肌肉較健康人更易產(chǎn)生肌肉疲勞。
針對(duì)癱瘓患者的神經(jīng)肌肉功能特點(diǎn),結(jié)合sEMG特征提取的研究現(xiàn)狀,本系統(tǒng)選擇iEMG、CCR、RMS和MPF這四種特征參數(shù)用以反饋肌力和肌疲勞程度。iEMG可反映患者患側(cè)肌肉在單位時(shí)間內(nèi)的收縮特性和sEMG的強(qiáng)弱變化[23],其計(jì)算公式如下:
其中x(i)為sEMG采樣值,N為采樣點(diǎn)數(shù)[24]。隨著電刺激治療的進(jìn)行,當(dāng)iEMG有明顯的下降現(xiàn)象時(shí),表明患側(cè)肌肉已經(jīng)開始出現(xiàn)疲勞[25]。
CCR可用來反映主動(dòng)肌和拮抗肌運(yùn)動(dòng)控制過程中的活動(dòng)情況,計(jì)算公式為[26]:
其中,ATI為拮抗肌的iEMG,AI為主動(dòng)肌的iEMG。由于患者常出現(xiàn)肌張力增高的癥狀,患側(cè)肌肉的CCR明顯高于健側(cè)[27]。經(jīng)過一段時(shí)間的電刺激治療,CCR會(huì)有下降的趨勢(shì),表明主動(dòng)肌和拮抗肌之間的平衡得到改善[28]。
RMS也可體現(xiàn)肌電信號(hào)幅度的變化特征,還可以反映神經(jīng)肌肉放電的有效值。
其中,EMG(t)是肌電曲線的時(shí)間變化函數(shù);xi為EMG(t)的采樣值;N為采樣點(diǎn)數(shù);T為測(cè)試時(shí)間長度[29]。但是,RMS隨著電刺激時(shí)間的延長和疲勞程度加深而增加[30]。
MPF能反映肌疲勞程度的細(xì)節(jié)變化,隨著疲勞程度的增強(qiáng)而降低[31-32]。MPF的計(jì)算公式如下:
其中P(f)為肌電功率譜[33]。
帶有表面肌電參數(shù)反饋功能的電刺激系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件包括電刺激模塊、肌電采集模塊和電源模塊。軟件包括患者信息管理模塊、電刺激信號(hào)輸出與控制模塊和肌電信號(hào)采集與反饋參數(shù)計(jì)算模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall structure of the system
2.1 硬件設(shè)計(jì)
2.1.1 電刺激模塊
電刺激模塊提供四個(gè)通道的輸出電刺激脈沖信號(hào),各個(gè)通道能獨(dú)立控制,可滿足患者多部位治療的臨床需求。
為滿足不同癱瘓患者的治療方案,該模塊采用多級(jí)驅(qū)動(dòng)用于提供較廣的電刺激信號(hào)頻率、脈寬和強(qiáng)度調(diào)節(jié)。初級(jí)驅(qū)動(dòng)將強(qiáng)度較弱的3.3 V模擬控制信號(hào)放大到5 V,達(dá)到次級(jí)驅(qū)動(dòng)IRF640N型號(hào)MOS管的開啟電壓。經(jīng)放大的刺激脈沖信號(hào)可控制次級(jí)驅(qū)動(dòng)的通斷,產(chǎn)生30 V左右的脈沖信號(hào)。為引發(fā)癱瘓患者患側(cè)肌肉的收縮,還需將30 V左右的脈沖信號(hào)經(jīng)升壓變壓器升壓后產(chǎn)生170 V左右的刺激脈沖,從而達(dá)到治療的目的。在實(shí)際操作中,各通道的電刺激脈沖信號(hào)由軟件產(chǎn)生和控制,經(jīng)研華USB-4711A型采集卡的I/O口轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào),從而觸發(fā)電刺激模塊各級(jí)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生刺激脈沖,再通過表面電極作用于癱瘓患者的患側(cè)肌肉進(jìn)行康復(fù)治療。
考慮到癱瘓患者在使用電刺激時(shí)的安全性,防止因誤操作等原因產(chǎn)生超過安全電壓的刺激脈沖,該部分電路可通過一獨(dú)立開關(guān)控制通斷,且加入了電壓保護(hù)電路。為防止干擾,在機(jī)箱內(nèi)部使用屏蔽層將肌電采集模塊與本系統(tǒng)隔離。
2.1.2 肌電采集模塊
偏癱患者的sEMG信號(hào)較弱,幅值一般在200 μV以下[34]。因此本系統(tǒng)采用三級(jí)放大電路,設(shè)計(jì)增益連續(xù)可調(diào)(400~4 000倍)。前級(jí)差分放大電路選用INA128儀表放大器用于提高前端輸入阻抗,降低共模干擾;二級(jí)放大結(jié)合濾波電路實(shí)現(xiàn);為適應(yīng)不同強(qiáng)度的肌電信號(hào),第三級(jí)放大電路的增益可通過電位器實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。
考慮到對(duì)癱瘓患者電刺激治療部位肌肉狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),系統(tǒng)采用在電刺激的同時(shí)對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行采集。但由于電刺激輸出的信號(hào)很強(qiáng)烈,會(huì)導(dǎo)致微弱的sEMG信號(hào)被淹沒,因此,本系統(tǒng)采用的電刺激頻率為0.5~5 Hz,且癱瘓患者的sEMG頻率主要集中在20~500 Hz,系統(tǒng)采用有源二階帶通濾波器設(shè)計(jì)(頻帶為20~500 Hz)以消除電刺激干擾和部分環(huán)境噪聲。同時(shí),系統(tǒng)采用了50 Hz陷波器電路消除工頻干擾[35]。sEMG由差分電極采集,經(jīng)肌電采集模塊放大濾波,通過USB-4711A采集卡的A/D口采樣后,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖M(jìn)行處理和分析,采樣速率為150 kS/s,采樣精度為12 bit。
2.1.3 電源模塊
電源模塊分別為電刺激模塊和肌電采集模塊供電。為滿足不同供電需求,將系統(tǒng)輸入電壓220 V經(jīng)電源變壓器后轉(zhuǎn)換為交流±20 V,保護(hù)電路將電源電流限制在1 A附近,若電流超過1 A時(shí),保護(hù)電路保險(xiǎn)絲熔斷,防止對(duì)系統(tǒng)及患者造成損害,再通過整流濾波電路后轉(zhuǎn)換為直流±30 V,最后采用降壓電路將±30 V轉(zhuǎn)換為±12 V給肌電采集模塊供電。另外,將其中的30 V直流電壓提供給電刺激模塊中的二級(jí)驅(qū)動(dòng)控制電路,用于產(chǎn)生初級(jí)脈沖,經(jīng)升壓變壓器后轉(zhuǎn)換為200 V左右的高壓脈沖電刺激信號(hào)。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
軟件是基于LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了肌電信號(hào)的全程反饋,多通道可獨(dú)立操作,還能提供多種表面肌電反饋參數(shù)的同步顯示。本設(shè)計(jì)將肌電信號(hào)和電刺激在同一界面顯示和控制,為醫(yī)師提供直觀的信息用于對(duì)照分析。醫(yī)師可以針對(duì)不同癱瘓患者的特點(diǎn)選取閾值,探索更合適的電刺激參數(shù),從而提升治療效果。帶有表面肌電反饋功能的電刺激系統(tǒng)如圖2所示,下面分別介紹各部分模塊的實(shí)現(xiàn)內(nèi)容。
2.2.1 患者信息管理模塊
醫(yī)師可在患者信息管理模塊進(jìn)行包括患者編號(hào)、姓名、性別和年齡等基本信息的錄入,還可以根據(jù)治療方案設(shè)置訓(xùn)練時(shí)長和通道數(shù)。該部分信息將顯示于界面左下方并自動(dòng)保存,存在“軟件目錄信息數(shù)據(jù).xls”文件中。該文件也可以使用Excel打開,方便日后查詢。
2.2.2 電刺激信號(hào)輸出與控制模塊
考慮到系統(tǒng)對(duì)患者的安全性,電刺激信號(hào)輸出與控制模塊有總開關(guān)控制,用于控制四個(gè)通道的通斷,各通道也有獨(dú)立開關(guān)用于通斷控制。由程序中設(shè)計(jì)的多通道波形發(fā)生器,通過ADV Write to Digital Port子VI控制USB-4711A采集卡的數(shù)字I/O端口輸出電刺激信號(hào),觸發(fā)電刺激模塊產(chǎn)生各種電刺激信號(hào)。刺激頻率和刺激強(qiáng)度等參數(shù)都可在虛擬面板上進(jìn)行設(shè)置,且能實(shí)現(xiàn)各通道參數(shù)范圍的獨(dú)立可調(diào)。
2.2.3 肌電信號(hào)采集與反饋參數(shù)計(jì)算模塊
在LabVIEW程序中,調(diào)用AI Acquire Waveforms子VI控制采集卡高速A/D進(jìn)行多通道肌電數(shù)據(jù)采集。由于原始的肌電信號(hào)具有雙極性的特點(diǎn),肌電采集處理與顯示模塊先對(duì)采集到的四個(gè)通道的肌電信號(hào)進(jìn)行了平滑以及低通濾波處理,從而有效地提取到信號(hào)包絡(luò)并顯示。選取IIR濾波器,Butterworth類型,階數(shù)設(shè)為3,截止頻率為3 Hz。采用不同顏色用以區(qū)分不同通道的肌電信號(hào)?;颊呋紓?cè)肌肉的sEMG大多較為微弱且個(gè)體差異較大,醫(yī)師可通過旋轉(zhuǎn)顯示檔位旋鈕調(diào)整圖形的大小以便于觀察,共8個(gè)檔位可選擇。
為協(xié)助醫(yī)師了解癱瘓患者在電刺激治療過程中訓(xùn)練部位肌肉的肌力表現(xiàn)和疲勞程度,在肌電數(shù)據(jù)采集完畢之后,采集結(jié)果會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ),然后系統(tǒng)依據(jù)iEMG、CCR、RMS和MPF算法公式,分別計(jì)算各通道相應(yīng)的特征參數(shù)并顯示。電刺激治療開始前,醫(yī)師需根據(jù)患者治療計(jì)劃設(shè)定治療測(cè)試次數(shù)和閾值,軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄第一次電刺激治療后的表面肌電特征參數(shù),并在后續(xù)治療過程中自動(dòng)判斷特征參數(shù)值是否達(dá)到已設(shè)閾值。如果達(dá)到閾值,對(duì)應(yīng)通道的指示燈點(diǎn)亮,提醒醫(yī)師癱瘓患者的肌肉已經(jīng)疲勞,應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)電刺激參數(shù),避免肌肉損傷。醫(yī)師可通過RMS和MPF這兩個(gè)特征參數(shù)變化規(guī)律分析患者的肌肉疲勞程度,并結(jié)合iEMG和CCR的變化設(shè)定閾值,以便對(duì)不同癱瘓患者選擇合適的電刺激參數(shù)。
圖2 帶有表面肌電反饋功能的電刺激系統(tǒng)Fig.2 Electrical stimulation system with sEMG feedback
為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到要求,課題組成員對(duì)5名受試者進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn),采集并分析了受試者在抬臂時(shí)的sEMG數(shù)據(jù),該系統(tǒng)能夠提取到肌電信號(hào),并獲得表面肌電特征參數(shù)值。其中一名受試者的肌電數(shù)據(jù)和反饋參數(shù)值如圖3所示。將5名受試者的肌電數(shù)據(jù)保存,用Matlab讀取并計(jì)算iEMG、CCR、RMS和MPF值,計(jì)算結(jié)果與LabVIEW提取的各項(xiàng)特征參數(shù)值一致。用示波器檢測(cè)產(chǎn)生不同刺激頻率和刺激強(qiáng)度的電刺激脈沖信號(hào)。圖3所示的是刺激頻率為1 Hz的電刺激脈沖波形。由圖3(a)可見,每間隔1 s會(huì)有幅值為170 V左右的刺激脈沖信號(hào),由圖3(b)可見,刺激脈沖寬度為4 ms,主要能量集中在100 V左右。課題組成員還對(duì)軟件進(jìn)行了包括連續(xù)重復(fù)操作和長時(shí)間運(yùn)行等方式的測(cè)試。測(cè)試期間,系統(tǒng)各項(xiàng)功能正常運(yùn)行,工作穩(wěn)定,未出現(xiàn)異常。
圖3 實(shí)驗(yàn)中采集的電刺激脈沖信號(hào)Fig.3 Electrical stimulation pulse signals
本文開發(fā)了一套基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的帶有表面肌電反饋的電刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較廣的電刺激信號(hào)頻率、脈寬和電流強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍,還實(shí)現(xiàn)了肌電信號(hào)的全程采集,并同步顯示iEMG、RMS、CCR和MPF等特征參數(shù)反饋信息。經(jīng)過測(cè)試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,并檢測(cè)了系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。在下一步研究中,將其運(yùn)用于臨床,協(xié)助醫(yī)師對(duì)照分析不同癱瘓患者在電刺激治療過程中的電刺激參數(shù)與表面肌電特征參數(shù)變化關(guān)系,從而探索自動(dòng)反饋控制策略,完善現(xiàn)有表面肌電特征參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì),進(jìn)一步提升系統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練效果。
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Electrical Stimulation System with Surface Electromyography Feedback
【W(wǎng)riters】GUO Jiaying, YU Zhengang, WANG Li, NIU Haijun
School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing, 100191
Currently, various kinds of electrical stimulation equipment are used in the rehabilitation of muscle function for patients with hemiplegia, but many defects can be found in those designs, for example, insufficient feedback parameter, unsynchronized information, unintuitive display and so on. Therefore, this study introduces an electrical stimulation system with surface electromyography (sEMG) feedback based on LabVIEW, which combines with multi-channel sEMG acquisition, electrical stimulator and other hardware system. This system can not only provide a wide electrical stimulation parameters range for frequency, pulse width and intensity, but also acquire sEMG during the treatment. Meanwhile, this system can compute iEMG, CCR, RMS and MPF in real-time. The verification results shows that the whole system is effective and stable. This system can help physicians observe the muscle condition of different patients, who can explore suitable electrical stimulation parameters to design individualized treatment projects.
electrical stimulation system, LabVIEW, surface electromyography feedback
R318.6
A
10.3969/j.issn.1671-7104.2016.05.004
1671-7104(2016)05-0326-05
2016-03-17
國家科技術(shù)計(jì)劃(2013BAI10B06);國家863計(jì)劃(2015AA042304)
郭佳瑩,E-mail: gghgg66@sina.com